Hệ thống nhận dạng đánh giá ổn định hệ thống điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

HỆ THỐNG NHẬN DẠNG ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH
ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN

MÃ SỐ:T2017-68TĐ

SKC 0 0 6 0 3 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
********

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

HỆ THỐNG NHẬN DẠNG
ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN
T2017-68TĐ

Chủ nhiệm đề tài: THS. NGUYỄN NGỌC ÂU

Tp. Hồ Chí Minh – tháng 3/2018.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ
********

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

HỆ THỐNG NHẬN DẠNG
ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN
T2017-68TĐ

Chủ nhiệm đề tài: THS. NGUYỄN NGỌC ÂU

Tp. Hồ Chí Minh – tháng 3/2018.


Danh sách những thành viên tham gia nghiên cứu đề tài và đơn vị phối hợp chính:
Chủ nhiệm đề tài:
THS. NGUYỄN NGỌC ÂU
Đề tài được thực hiện tại:
PHÒNG NGHIÊN CỨU NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ HỆ THÔNG ĐIỆN C201
KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

i

MỤC LỤC
Trang tựa

Trang

Quyết định giao đề tài
MỤC LỤC .................................................................................................................. ii
LIỆT KÊ HÌNH ......................................................................................................... vi
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... viii
CÁC KÝ HIỆU ...........................................................................................................x

1.1

Tính cần thiết .................................................................................................1

1.2

Mục tiêu của ĐỀ TÀI ....................................................................................1

1.3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................1

1.4

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ....................................................2

1.5

Điểm mới về mặt khoa học của đề tài ...........................................................2

1.6

Ý nghĩa thực tiễn của luận án ........................................................................2

1.7

Bố cục của ĐỀ TÀI .......................................................................................3

2.1

Giới Thiệu ......................................................................................................4

2.2

Ổn định động hệ thống điện ..........................................................................4
2.2.1

Các chế độ làm việc hệ thống ..............................................................4

2.2.2

Ổn định hệ thống điện .........................................................................5
ii


2.3

Các phương pháp phân tích ĐÁNH GIÁ ổn định động hệ thống điện .........6
2.3.1

Mơ hình tốn học hệ thống điện nhiều máy ........................................6

2.3.2

Phương pháp tích phân số ...................................................................7

2.3.3

Phương pháp diện tích .........................................................................8

2.3.4

Phương pháp trực tiếp .........................................................................9

2.3.5

Phương pháp mô phỏng theo miền thời gian ....................................11

2.4

Các nghiên cứu khoa học liên quan .............................................................12

2.5

Tóm Tắt Chương 2 ......................................................................................14

3.1

Mạng nơ-ron nhân tạo .................................................................................15

3.1.1

Giới thiệu về mạng nơ-ron nhân tạo..................................................15

3.1.2

Mơ hình nơ-ron sinh học ...................................................................15

3.1.3

Mơ hình nơ-ron nhân tạo ...................................................................16

3.1.3.1

Cấu trúc mơ hình một nơ-ron nhân tạo .............................................. 16

3.1.3.2

Cấu trúc mơ hình mạng nơ-ron nhân tạo nhiều lớp ..................... 19

3.1.4

Phân loại mạng nơ-ron ......................................................................19

3.1.5

Mạng Perceptron nhiều lớp ...............................................................20

3.1.6

Mạng nơ-ron Generalized Regression Nơ-ron Network (GRNN) ....21

3.1.6.1
3.2

Mạng Generalized Regression Nơ-ron Network ............................ 21

Bộ phân lớp K-Nearest Neighbor ................................................................22
iii


3.3

Bộ phân lớp máy vector hỗ trợ ....................................................................22
3.3.1

Bộ phân lớp nhị phân tách lớp tuyến tính .........................................23

3.3.2

Biên tối ưu mềm ................................................................................25

3.3.3

Hàm nhân...........................................................................................26

3.4

Tóm tắt chương 3 .........................................................................................27

4.1

Xây dựng tập mẫu ........................................................................................29

4.2

Chọn biến và xữ lý mẫu ...............................................................................32
4.2.1

Tiêu chuẩn chọn biến ........................................................................33

4.2.1.1

Tiêu chuẩn Fisher ......................................................................................... 33

4.2.1.2

Tiêu chuẩn Divergence............................................................................... 34

4.2.1.3

Tiêu chuẩn Scatter Matrix (SM) ............................................................. 34

4.2.2

Đề xuất quy trình xử lý mẫu ..............................................................34

4.3

Học quan hệ vào ra ......................................................................................36

4.4

Đánh giá .......................................................................................................36

4.5

Biểu diễn kết quả .........................................................................................38

4.6

Giải thuật phân cụm dữ liệu ........................................................................40
4.6.1

Giải thuật KM ....................................................................................40

4.6.2

Giải thuật Hybrid K-means (HK) ......................................................42
iv


4.7

Tóm tắt chương 4 .........................................................................................43

5.1

Giới thiệu sơ đồ hệ thống điện chuẩn IEEE 39-bus ....................................45

5.2

Xây dựng tập mẫu và tập biến ban đầu .......................................................46

5.3

Chọn biến và xử lý mẫu ...............................................................................47
5.3.1

Chọn biến...........................................................................................47

5.3.2

Xử lý Giảm khơng gian mẫu .............................................................51

5.4

Nhận xét .......................................................................................................58

5.5

Tóm tắt chương 5 .........................................................................................59

6.1

Kết quả đạt được ..........................................................................................61

6.2

Hướng phát triển ..........................................................................................62

PHỤ LỤC

v


LIỆT KÊ HÌNH
TRANG

Hình 2.1 Phân loại ởn định hệ thống điện theo IEEE/CIGRE ............................................... 6
Hình 3.1 Mơ hình nơ-ron sinh học...................................................................................... 15
Hình 3.2 Mơ hình mợt nơ-ron nhân tạo .............................................................................. 17
Hình 3.3 Cấu trúc mơ hình mạng nơ-ron nhân tạo nhiều lớp truyền thẳng ........................ 19
Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc mạng nơ-ron GRNN ..................................................................... 21
Hình 3.5 Sơ đồ minh họa thuật tốn SVM.......................................................................... 23
Hình 3.6 Minh họa cho trường hợp dữ liệu hai lớp khơng hồn tồn tách biệt .................. 26
Hình 4.1 Các khâu cơ bản xây dựng mơ hình nhận dạng .................................................... 28
Hình 4.2 Quy trình xây dựng tập mẫu ................................................................................ 32
Hình 4.3 Ma trận khơng gian dữ liệu ................................................................................... 33
Hình 4.4 Quy trình giảm khơng gian dữ liệu ....................................................................... 35
Hình 4.5 Sơ đồ thiết kế màn hình quan sát .......................................................................... 38
Hình 4.6 Màn hình biểu diễn trạng thái ởn định hệ thống điện ........................................... 40
Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống điện IEEE 39 bus ........................................................................ 45
Hình 5.2 Xếp hạng biến theo chuẩn Fisher ......................................................................... 47
Hình 5.3 Xếp hạng biến theo chuẩn Divergence ................................................................ 48
Hình 5.4 Giá trị khoảng cách tính tốn biến bằng giải thuật SFFS theo chuẩn SM ........... 48
Hình 5.5 Đánh giá chọn tập biến ........................................................................................ 49
Hình 5.6 Các nhóm mẫu của tập S và tập U được rút gọn.................................................. 52
Hình 5.7 Đánh giá đợ chính xác phân lớp, rút dữ liệu với giải thuật KM, 1-NNC ............ 53
Hình 5.8 Đánh giá đợ chính xác phân lớp, rút dữ liệu với giải thuật HK, 1-NNC ............. 53

Hình 5.9 Thực nghiệm tìm số nơ-ron ẩn ............................................................................ 55
Hình 5.10 Thực nghiệm tìm hệ số Spread .......................................................................... 56

vi


LIỆT KÊ BẢNG
TRANG

Bảng 3.1 Một số hàm phi tuyến thường dùng trong các mơ hình nơ-ron ............................ 18
Bảng 4.1 Ma trận lẫn lộn kích thước 2x2 ........................................................................... 36
Bảng 4.2 Giải thuật KM ....................................................................................................... 42
Bảng 4.3 Giải thuật HK ...................................................................................................... 43
Bảng 5.1 Độ chính xác kiểm tra phân lớp 1-NN, d=15 và d=104, kfold=10 ..................... 50
Bảng 5.2 Các biến được chọn ............................................................................................ 50
Bảng 5.3 Độ chính xác kiểm tra phân lớp 1-NN với không gian mẫu giảm ...................... 54
Bảng 5.4 Độ chính xác phân lớp với MLPC, GRNNC và SVMC ..................................... 57
Bảng 5.5 Độ chính xác, độ hồi tưởng và hệ số F-Score ..................................................... 57
Bảng 5.6 Tóm tắt kết quả xử lý dữ liệu .............................................................................. 58

vii


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. HTĐ

Hệ Thống Điện

2. ANN (Artificial Nơ-ron Network)

Mạng Nơ-ron nhân tạo

3. MLP (Multi-layered Feedforward Nơ-ron Mạng nơ-ron truyền thẳng
Network)

nhiều lớp

4. GRNN (Generalized Regression Nơ-ron Mạng Nơ-ron hồi quy tổng
Network)

quát

5. K-NN (K-Nearest Neighbor)

K láng giềng gần nhất

6. 1-NN

K láng giềng gần nhất, K=1

7. SVM (Support Vecotor Machine)

Vec-tơ máy hỗ trợ

8. Classifier

Bộ phân lớp

9. CCT (Critical Clearing Time)

Thời gian cắt tới hạn

10. FCT (Fault Clearing Time)

Thời gian cắt sự cố

11. IS (Intelligent System)

Hệ thống thông minh

12. SFS (Sequential Forward Selection)

Lựa chọn tiến

13. SFFS (Sequential Forward Floating Selec- Lựa chọn tiến lùi
tion)
14. FR (Feature Ranking)

Xếp hạng biến

15. KM (K-means)

Giải thuật K-means

16. HK (Hybrid K-means)

Giải thuật K-means lai

viii

17. MMD (Max-Min Distance

Khoảng cách Max-Min

18. S (Stable)

Ổn định

19. U (Unstable)

Không ổn định

20. CL (Cluster)

Cụm

21. D(S), D(U), D(S,U)

tập dữ liệu S, U và gồm (S,U)

22. CL(S), CL(U), CL(S,U):

cụm dữ liệu S, U và cụm (S,U)

23. tr (trace)

Tổng đường chéo của ma-trận

24. AccRate

Đợ chính xác tởng thể (phân
lớp)

ix


CÁC KÝ HIỆU
1. 

Góc của rotor của máy phát

2. 

Tốc đợ góc của rotor mày phát

3. Pm

Cơng suất cơ của máy phát

4. Pe

Công suất điện của máy phát

5. M

Mô-men quán tính của máy phát

6. w

Trọng số

7. ||.||

Khoảng cách Euclide

8. m

Giá trị trung bình dữ liệu

9. 

Đợ lệch chuẩn của dữ liệu

10. 1

Nhãn lớp ổn định

11. 0

Nhãn lớp không ổn định

12. Sp (Spread)

Thông số độ rộng

13. Ni

Số nơ-ron ẩn

14. Nint

Số lần lặp của giải thuật thuật phân cụm dữ liệu KM

15. DE

Giá trị mục tiêu của giải thuật phân cụm dữ liệu KM

x


BM 08TĐ. Thông tin kết quả nghiên cứu
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

Tp. HCM, Ngày

tháng

năm

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Hệ thống nhận dạng đánh giá ổn định động hệ thống điện
- Mã số: T2017-68TĐ
- Chủ nhiệm: Nguyễn Ngọc Âu
- Cơ quan chủ trì: Khoa Điện Điện Tử - Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM
- Thời gian thực hiện: 12 tháng
2. Mục tiêu:
- Nghiên cứu phương pháp giảm kích thước không gian dữ liệu.
-Xây dựng hệ thống nhận dạng đánh giá ổn định động hệ thống điện.
3. Tính mới và sáng tạo:
 Áp dụng thành công giải thuật giảm không gian mẫu K-means lai (Hybrid Kmeans – HK), cải tiến từ giải thuật phân cụm dữ liệu nổi tiếng K-means, khai phá
dữ liệu ổn định động hệ thống điện. Kết quả kiểm tra cho thấy giải thuật HK đã
khắc phục được nhược điểm giải thuật K-means, giúp nâng cao chất lượng phân
cụm dữ liệu, giảm không gian mẫu một cách hiệu quả.

4. Kết quả nghiên cứu:
-Đề xuất quy trình xử lý giảm không gian dữ liệu và áp dụng mạng nơ-ron vào đánh
giá ổn định động hệ thống điện.
xi


5. Sản phẩm:
-Sản phẩm khoa học: Đăng 01 bài báo trên tạp chí nằm trong danh mục SCIE.
-Thuyết minh báo cáo kết quả nghiên cứu.
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
-Đề tài là tài liệu phục vụ cho các nhà vận hành hệ thống điện muốn nghiên cứu liên
quan đến đánh giá ổn định động hệ thống điện dùng phương pháp nhận dạng.
-Kết quả đề tài có thể tởng hợp cho bài tốn điều khiển ởn định q đợ hệ thống điện
như điều khiển sa thải phụ tải.

Trưởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

(ký, họ và tên)

Nguyễn Ngọc Âu

xii


INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Project title: Recognition system for dynamic stability power system assessment
Code number: T2017-68TĐ
Coordinator: Faculty Electrical and Electronics Engineering
Implementing institution: HCMUTE
Duration: from

to

2. Objective(s):
-Study of data reduction methods.
- Building a recognition system for dynamic stability power system assessment
3. Creativeness and innovativeness:
-Successfully applied Hybrid K-means algorithm in data mining of power system
stability, the test results show that the HK algorithm overcomes the K-means
disadvantage, improves the quality of clustering, and reduces the sample space

efficiently.
-The problem of recognition in the project can be synthesized for the problem of
controlling the power system stability such as the load shedding control.
4. Research results:
- Propose the process of building recognition system for dynamic stability power
system assessment
5. Products:
-01 paper: SCIE

xiii


- Document report of study results
6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:
- This study results can be a guideline and reference for researchers, electrical engineers in this area.
- The study results in the project can be synthesized for the problem of controlling
the power system stability such as the load shedding control.

xiv


Nguyễn Ngọc Âu

MỞ ĐẦU
1.1 TÍNH CẦN THIẾT
Hệ thống điện hiện đại đối mặt các thách thức mới với rất nhiều thay đổi.
Đầu tư nguồn phát không đáp ứng kịp nhu cầu phát triển phụ tải gây áp lực lên hệ
thống điện phải vận hành gần giới hạn ổn định. Để đánh giá ổn định quá độ của hệ
thống điện phức tạp nhiều máy trong những dao động lớn do sự cố gây ra, các
phương pháp truyền thống tỏ ra kém hiệu quả và không thuận lợi, đặc biệt trong

những điều kiện yêu cầu khắc khe về thời gian giải. Vì vậy, một nhu cầu là cần hệ
thống đánh giá mất ổn định động hệ thống điện nhằm cảnh báo sớm để giúp hệ thống
điều khiển ra quyết định kịp thời tránh tan rã lưới điện. Nhận dạng ổn định hệ thống
điện được nhiều tác giả quan tâm và tập trung nghiên cứu trong những năm gần đây.
Tuy nhiên, vấn đề khó khăn là dữ liệu mẫu lớn gây tốn kém chi phí thu thập dữ liệu,
và khó khăn khi học. Vì vậy, nghiên cứu xây dựng mơ hình nhận dạng đánh giá ổn
định động hệ thống điện là rất cần thiết. Đó cũng là lý do tác giả chọn đề tài nghiến
cứu ‘Hệ thống nhận dạng đánh giá ổn định động của hệ thống điện’.
1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
 Nghiên cứu các phương pháp giảm kích thước không gian dữ liệu.
 Xây dựng hệ thống nhận dạng đánh giá ổn định động hệ thống điện.
1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
 Đối tượng nghiên cứu:
-

Nghiên cứu quy trình xây dựng hệ thống thông minh nhận dạng ổn định
động hệ thống ứng dụng kỹ thuật khai phá dữ liệu và công nghệ thông
minh nhân tạo.

-

Đánh giá hiệu quả của phương pháp đề xuất trên hệ thống điện chuẩn
IEEE 39-bus.

 Phạm vi nghiên cứu:
-

Đề tài tập trung nghiên cứu ứng dụng tính tốn thơng minh nhân tạo, khai
phá dữ liệu vào nhận dãng ổn định động hệ thống điện do các sự cố gây
1

Nguyễn Ngọc Âu

ra. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các vấn đề nghiên cứu xử lý mẫu
trong nhận dạng ổn định động hệ thống điện và kiểm tra phương pháp đề
xuất trên hệ thống điện chuẩn IEEE 39-bus.
1.4 CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
-

Nghiên cứu các tài liệu, các bài báo, các sách về chẩn đốn ởn định hệ
thống điện.

-

Nghiên cứu phương pháp xử lý giảm không gian mẫu.

-

Xây dựng hệ thống nhận dạng thông minh dựa trên cơ sở các bộ phân lớp
phân lớp (ANN, SVM, K-NN), khai phá dữ liệu.

-

Đánh giá phương pháp đề xuất trên sơ đồ lưới điện chuẩn IEEE 39-bus.

-

Nghiên cứu với sự trợ giúp của các phần mềm Matlab, PowerWorld.

1.5 ĐIỂM MỚI VỀ MẶT KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI
-

Áp dụng thành công giải thuật giảm không gian mẫu K-means lai (Hybrid
K-means – HK), cải tiến từ giải thuật phân cụm dữ liệu nổi tiếng K-means,
khai phá dữ liệu ổn định động hệ thống điện. Kết quả kiểm tra cho thấy
giải thuật HK đã khắc phục được nhược điểm giải thuật K-means, giúp
nâng cao chất lượng phân cụm dữ liệu, giảm không gian mẫu một cách
hiệu quả.

1.6 Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN
-

Hệ thống nhận dạng thông minh được xây dựng có thể được sử dụng như
cơng cụ trợ giúp các điều độ viên đề ra chiến lược điều khiển trong những
tình huống khẩn cấp, và huấn luyện các điều đợ viên hệ thống điện xử lý
các tình huống dựa trên các kịch bản sự cố.

-

Việc giảm khơng gian mẫu có ý nghĩa quan trọng trong việc tiết kiệm bộ
nhớ lưu trữ mẫu, giảm chi phí thu thập dữ liệu, và giúp mơ hình dễ dàng
cập nhật dữ liệu.

2


Nguyễn Ngọc Âu

1.7 BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI

Bố cục của luận án bao gồm 6 chương:
Chương 1. Mở đầu
Chương 2. Các phương pháp đánh giá ổn định hệ thống điện
Chương 3. Các phương pháp nhận dạng
Chương 4. Xử lý mẫu trong nhận dạng ổn định động hệ thống điện.
Chương 5. Đánh giá kết quả nhận dạng ổn định động hệ thống điện
Chương 6. Kết luận

3


Nguyễn Ngọc Âu

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ
THỐNG ĐIỆN
2.1 GIỚI THIỆU
Hệ thống điện vận hành luôn đối mặt với các trường hợp bất thường như cắt
điện một máy phát, cắt điện đường dây, gia tăng tải đột ngột, cắt máy biến áp, và
nguy hiểm nhất là các trường hợp ngắn mạch. Các sự cố này gây hại nghiêm trọng
đến ổn định hệ thống điện và trên thế giới đã chứng kiến nhiều vụ tan rã hệ thống
điện [1], [2]. Xử lý q trình q đợ trong hệ thống điện có mợt giá trị rất quan trọng
để nâng cao đợ tin cậy và tính ởn định chế đợ vận hành hệ thống điện. Các khó khăn
trong việc điều khiển chế đợ hệ thống điện liên quan đến tính phức tạp của chế đợ
điều khiển, khó khăn trong mơ tả tốn học của q trình xảy ra trong hệ thống điện.
Nhận dạng ổn định quá độ của hệ thống điện trong những dao động lớn do sự cố
gây ra, các phương pháp truyền thống tỏ ra kém hiệu quả và không thuận lợi, đặc
biệt trong những điều kiện thiếu thông tin và yêu cầu khắc khe về thời gian. Trong
khi, chế độ quá độ dao động lớn do sự cố gây ra cần phải xử lý nhanh thì cịn cơ hội
điều khiển đưa hệ thống trở về trạng thái ổn định. Tuy nhiên, để xử lý nhanh thì dữ
liệu phải tinh gọn, mạng tính đại diện. Đây cũng là lý do để thực hiện đề tài này.

2.2 ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN
2.2.1 Các chế độ làm việc hệ thống
Các chế độ làm việc của hệ thống điện được chia làm 2 loại chính: chế đợ
xác lập và chế đợ quá độ [3].
Chế độ xác lập: là chế độ trong đó các thơng số của hệ thống khơng thay đởi
hoặc thay đổi trong những khoảng thời gian tương đối ngắn, chỉ biến thiên nhỏ xung
quanh các trị số định mức, là chế đợ bình thường và lâu dài của hệ thống điện, cịn
được gọi là chế đợ xác lập bình thường. Chế độ sau sự cố hệ thống được phục hồi
và làm việc tạm thời cũng thuộc về chế độ xác lập, mà cịn được gọi là chế đợ xác
lập sau sự cố.

4


Nguyễn Ngọc Âu

Chế độ quá độ: là chế độ trung gian chuyển từ chế độ xác lập này sang chế
độ xác lập khác. Chế độ quá độ thường diễn ra sau những sự cố hoặc thao tác đóng
cắt các phần tử đang mang công suất mà thường được gọi là các kích động lớn. Chế
độ quá độ được gọi là chế đợ q đợ bình thường nếu nó tiến đến chế độ xác lập
mới. Trong trường hợp này các thông số hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời
gian lại trở về trị số gần định mức và tiếp theo ít thay đởi. Ngược lại, có thể diễn ra
chế độ quá độ với thông số hệ thống biến thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vơ hạn
hoặc giảm đến 0. Chế đợ q đợ đó được gọi là chế đợ q đợ sự cố.
2.2.2 Ởn định hệ thống điện
Ởn định hệ thống điện đề cập đến khả năng của các máy phát điện dịch
chuyển từ một trạng thái vận hành xác lập này đến trạng thái vận hành xác lập khác
sau khi bị kích động mà không mất đồng bộ, có hai loại ởn định hệ thống điện : ởn
định tĩnh và ởn định đợng [3], [4]. Ởn định tĩnh là khả năng của hệ thống sau những
kích động nhỏ phục hồi được chế độ ban đầu hoặc rất gần với chế đợ ban đầu. Ởn

định đợng là khả năng của hệ thống sau những kích động lớn phục hồi được trạng
thái vận hành cho phép ban đầu hoặc gần trạng thái vận hành cho phép ban đầu.
Trong [5] ổn định hệ thống điện được phân loại theo IEEE/CIGRE gồm: ổn
định góc rotor, ổn định tần số và ổn định điện áp. Phân loại ởn định hệ thống điện
được trình bày như Hình 2.1. Ởn định đợng là ởn định góc rotor hay khơng ởn định
góc rotor sau dao đợng lớn hay sự cố nghiêm trọng chẳng hạn như ngắn mạch ba
pha.

5


Nguyễn Ngọc Âu

Ởn định hệ thống điện

Ởn định góc rotor

Ởn định góc rotor sự cố nhỏ

Ởn định tần số

Ởn định
q đợ

Ngắn hạn

Ởn định điện áp

Ởn định điện
áp sự cố nhỏ

Ngắn hạn

Dài hạn

Ngắn hạn

Ởn định điện
áp sự cố lớn

Dài hạn

Hình 2.1 Phân loại ổn định hệ thống điện theo IEEE/CIGRE
2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ
THỐNG ĐIỆN
Phân tích ổn định động hệ thống điện là xem xét khả năng hệ thống điện
chuyển sang làm việc ổn định ở trạng thái xác lập mới sau dao động lớn. Ởn định
q đợ do dao đợng lớn gây ra như sa thải máy phát, sa thải phụ tải, mở đường dây
hoặc do sự cố ngắn mạch, nghiêm trọng nhất là ngắn mạch ba pha. Các dao động
lớn gây ra mất cân bằng công suất cơ đầu vào và công suất điện ra của máy phát.
Khi đó, làm cho rơ-to các máy phát dao động với máy phát khác và gây phá vỡ ởn
định hệ thống điện.
Có nhiều phương pháp phân tích ổn định hệ thống điện. Trong phần này trình
bày bốn phương pháp áp dụng khảo sát ởn định động hệ thống điện: phương pháp
tích phân số, phương pháp diện tích, phương pháp trực tiếp, và phương pháp mô
phỏng theo miền thời gian.
2.3.1 Mơ hình tốn học hệ thống điện nhiều máy
Hành vi động của máy điện phát điện được mơ tả theo phương trình vi phân
sau [3]:
Mi

d 2 i
 Pmi  Pei
dt 2

6

(2.1)


Nguyễn Ngọc Âu

d i
i
dt

(2.2)

Thay (2.2) vào (2.1), khi đó (2.1) trở thành (2.3):
Mi

d i
 Pmi  Pei
dt

(2.3)

Trong đó: i là góc của rotor của máy phát thứ i; i: là tốc đợ góc của rơ-to
mày phát thứ i; Pmi: cơng suất cơ của máy phát thứ i; Pei: công suất điện của máy
phát thứ i; Mi: mô-men quán tính của máy phát thứ i.

2.3.2 Phương pháp tích phân số
Trong phần này giới thiệu hai phương pháp tích phân số là phương pháp Euler
và Phương pháp Runge-Kutta [3]–[5].
 Phương pháp Euler:
Cho phương trình vi phân:
dx/dt=f(x,t)
Ở bước tích phân thứ n+1:
xn+1 = xn+(dx/dt)n.t = xn+f(xn).t

(2.4)

 Phương pháp Runge-Kutta:
Phương pháp Runge-Kutta bậc 4 sử dụng biểu thức phức tạp hơn:
xn+1 = xn+1/6 (k1+ 2k2+2k3+ k4)

(2.5)

Ở đây: k1 = f(xn, tn) .t;
k2 = f(xn+ k1/2, tn+t/2) t;
k3 = f(xn+ k2/2, tn+t/2) t;
k4 = f(xn+ k3, tn+t/2) t
Phương pháp tích phân số cho kết quả khá chính xác. Tuy nhiên, trong phương
pháp tích phân số cần chú ý vấn đề sai số tích luỹ trong các bước giải. Kết quả nhận
được từ phương pháp tích phân số sẽ là trị số các góc lệch (t) ở những thời điểm
khác nhau. Nếu kết quả tính toán đủ dài thì ở mọi thời điểm có (t) <1800 thì q
trình q đợ ởn định, nếu (t) 1800 thì q trình q đợ khơng ởn định [3], [6], [7].
7


Nguyễn Ngọc Âu

Cũng có thể bằng quan sát trực quan dạng đường cong (t) dao động tắt dần hay tăng
trưởng vô hạn để kết luận đặc trưng ổn định của hệ thống.
Trạng thái ổn định của hệ thống điện đánh giá theo luật như sau:
Nếu ij < 1800 thì ‘Ởn định’
Nếu

(2.6)

ij  180 thì ‘Khơng ởn định’
0

2.3.3 Phương pháp diện tích
Phương trình chuyển đợng rơ-to của hệ thống điện đơn giản [3], [4]
d 2 Pm  Pe Pa


dt 2
TJ
TJ

(2.7)

Pa là công suất tăng tốc.
 2



d d 2 d 2
( )  (

dt dt
dt TJ

P dδ
dδ d 2 δ
2 a
2
dt dt
TJ dt


 Pa d ) 

0

dδ
2
 (
dt
TJ

(2.8)
δ

 P dδ)  C
a

(2.9)

δ0

Với C là hằng số tích phân, C = 0 khi d/dt=0 và  = o, trong đó o là góc
rơ-to trước khi có nhiễu. Do đó điều kiện cần thiết để hệ ởn định là tồn tại mợt góc
 sao cho:

2 δ
(  Pa dδ)  0
TJ δ0

(2.10)

Hệ thống sẽ ổn định nếu diện tích dưới Pa giảm tới không tại mợt giá trị nào
đó của  (hay diện tích tăng tốc bằng diện tích hãm tốc) nghĩa là phần diện dương
bằng diện tích âm.
Giới hạn của phương pháp: Đối với HTĐ lớn do có nhiều máy phát tương tác
phức tạp trên hệ thống thì tiêu chuẩn diện tích sẽ khơng cịn phù hợp.

8